Тема 1. Природне середовище
Після вивчення матеріалу Ви повинні:
Знати: що таке «жива речовина» нашої планети, які вченні та їх роботи були передвісниками вчення про біосферу.
Вміти: пояснити біогенну міграцію атомів хімічних елементів, давати визначення біосфери.
Ключові поняття та терміни
екологія біосфера біогенна міграція
автотрофні організми гетеротрофні організми мікотрофні організми
гідрофіти ксерофіти мезофіти
галофіти атмосфера гідросфера
літосфера проміле земна кора
План (логіка) викладу і засвоєння матеріалу:
1.1. Коротка історія шляху науки до відкриття біосфери.
1.2. Загальна характеристика біосфери
1.3. Еволюція біосфери.
1.4. Сучасний стан розвитку біосфери.
Коротка історія шляху науки до відкриття біосфери.
Уявлення про те, що живі істоти нашої планети взаємодіють з зовнішнім середовищем і впливають на зміни в цьому середовищі, виникло давно на підставі спостережень природних явищ. В цьому відношенні зачатки уявлень про біосферу ми зустрічаємо в трудах голландських вчених Б. Варениуса у «Загальна географія» и Х. Гюйгенса (1629-1695), а також в знаменитого французького натураліста Ж. Бюффона (1707-1788).
Різні прояви життя виступали перед людиною як загально планетарне, глобальне явище, немовби обкутуючи плівкою різної потужності поверхню земного шару. Однак найважливіша роль життя як вирішального фактору в динаміці речовин верхніх горизонтів нашої планети з’ясовувалась поступово, поки не стало відомо, що живі організми можуть існувати тільки шляхом обміну речовини з зовнішнім середовищем. Такий обмін має географічне значення, оскільки оболонки Землі складаються з хімічних елементів, що входять в склад організмів планети: як рослин, так і тварин. Цю думку яскраво виразив визначний французький натураліст Ж. Кюв’є (1769-1832): «Життя представляє, таким чином, більш чи менш складний вихор, направлення якого постійно і який завжди захоплює молекули, так що форма живого тіла для нього суттєвіше, ніж його речовина. Поки цей рух існує, тіло, в якому воно має місце, існує, тіло живе. Коли рух остаточно зупиниться тіло вмирає».
Французькі хіміки Ж.Б. Дюма (1800-1884), Ж. Бусенго (1802-1887), німецький хімік Ю. Лібіх (1803-1873) і деякі інші дослідники з’ясували значення зелених рослин у газовому обміні земної кулі і роль ґрунтових розчинів в живленні рослин. Після досліджень Ж. Бусенго в тропічних лісах Північної Америки було остаточно встановлено виключно важливе значення вуглекислоти і води у створенні в зелених рослинах і взагалі в живих істотах.
Початок вчення про біосферу завжди пов’язують з ім’ям знаменитого французького натураліста Ж.Б. Ламарка (1744-1829), який запропонував термін «біологія». Визначення біосфери як особливої оболонки Землі і сама її назва були запропоновані видатним австрійським геологом Е. Зюссом у 1875 р. в його роботі по геології Альп (термін утворений з грецьких слів «bios» - життя і «sphaira» - сфера). Однак докладного висвітлення сутності і ролі біосфери ми у Е. Зюсса не знаходимо. Ж.Б. Ламарк значно глибше підійшов до аналізу взаємовідношень організмів з середовищем їх мешкання і загибелі, що безпосередньо передувало нашому сучасному розумінню біосфери. В своїй книзі «Гідрогеологія» він присвятив цілу главу впливу живих організмів на земну поверхню. Він писав: «…в природі існує особлива сила, могутня і безперервно діюча, яка має здатність створювати комбінації, примножувати їх, урізноманітнювати їх…». Далі Ж. Ламарк відмічав, що «вплив живих організмів на сполуки, що знаходяться на поверхні земної кулі і ті, що створюють її зовнішню кору, вельми значно, тому що ці організми, безкінечно різноманітні і чисельні та мають покоління, що змінюються безперервно. Вони поступово покривають своїми рештками поверхню земної кулі, весь час нагромаджуючись відкладаються на всіх її ділянках». З цих висловів виходить, що Ж. Ламарк сміливо й вірно дав оцінку великій геологічній ролі організмів і продуктів їх розпаду він набагато випередив свій час.
Видатний натураліст і географ А. Гумбольдт (1769-1858) у своєму п’яти томному творі «Космос» дав синтез знань того часу про Землю і Космос і на підставі цього виклав ідею про взаємозв’язок усіх природних процесів і явлень. В подальшому глибоке представлення про закономірні зв’язки між рослинами, тваринами і мінералами було розвинуто В.В. Докучаєвим в труді про географічні зони, що охоплюють всі елементи земної поверхні. В 1899 р. В.В. Докучаєв писав: «Вивчались головним чином окремі тіла, мінерали, гірські породи, рослини і тварини, - і явища, окремі стихії – вогонь (вулканізм), вода, повітря, в чому, повторюємо, наука досягла дивних результатів, але не їх співвідношення, не той генетичний, віковий і завжди закономірний зв'язок, який існує між силами, тілами і явищами, між живою і неживою природою, між рослинним, тваринним і мінеральним царствами, з однієї сторони, людиною, її буттям та духовним миром – з іншої. А між тим ці співвідношення, ці закономірні взаємодії і складають сутність пізнання єства, кращу і вищу чарівність природознавства».
Факти і положення про біосферу накопичувались поступово в зв’язку з розвитком ботаніки, ґрунтознавства, географії рослин і інших, переважно біологічних наук, а також геологічних дисциплін. Ті елементи знань, які стали необхідними для розуміння біосфери в цілому, виявились пов’язаними з виникненням екології – науки, що вивчає взаємовідносини організмів і навколишнього середовища. Робота Е. Геккеля «Загальна морфологія організмів» знаменує початок розвитку екології.
Наявність біосфери Землі як визначеної природної системи в першу чергу видно з кругообігу енергії і речовин при участі всіх живих організмів. Ідея цього кругообігу була викладена в книжці німецького натураліста Я. Молешотта. Книжка витримала декілька видань і у 1886 р. була переведена на російську мову. Розділення організмів за способом живлення на три групи: автотрофні, гетеротрофні і міксотрофні, запропоноване в 80-х роках ХỊХ в. німецьким фізіологом В. Пфеффером (1845-1920), було великим науковим узагальненням, сприяючим розумінню основних процесів обміну речовин у біосфері.
Велике значення в області географії і екології рослин мали роботи А. Енглера і Є. Вармінга. А. Енглер (1844-1930) розглянув історію розвитку флори земної кулі і дав перше її ділення на основі палеогеографічних матеріалів. Датський ботанік Є. Вармінг (1841-1924) в своїй книжці «Екологічна географія рослин» докладно розглянув різноманітні морфолого-анатомічні пристосування багато чисельних рослин до умов середовища їх мешкання. Він виділив чотири екологічні типи рослинності Землі – гідрофіти, ксерофіти, мезофіти і галофіти.
Значно більш широке і глибоке уявлення про біосферу ми зустрічаємо у В.І. Вернадського (1863-1945). Вчення про біосферу є одним з найкрупніших і інтересних його узагальнень в області природничих наук.
Основні ідеї В.І. Вернадського по проблемам біосфери склалися на початку минулого століття. У 1926 р. вони були опубліковані в книзі «Біосфера», після якої різні сторони вчення про біосферу розглядалися ним в багатьох статтях і в великій, надрукованій через 20 років після його смерті, монографії «Хімічна будова біосфери Землі і її оточення», яку він називав головною книжкою життя.
Основними типами речовин біосфери по В.І. Вернадському є:
жива речовина – рослини, тварини і мікроорганізми;
біогенна речовина – органічні і органо-мінеральні продукти, створені живими організмами протягом геологічної історії планети (торф, вугілля, горючі сланці, нафта і інші нафтіди – продукти трансформації сонячної енергії, поховані в надрах Землі);
нежива (косна) речовина – гірські породи неорганічного походження і вода, які представляють субстрат або середовище для мешкання живих організмів;
біокосна речовина – результат синтезу живої і косної речовини (осадові гірські породи, кори вивітрювання, мули, ґрунти), співвідношення між живими і неорганічними компонентами в біокосній речовині варіює в широких межах;
радіоактивна речовина;
космічна речовина (метеорити, космічний пил).
В.І. Вернадський розглядав біосферу як область життя, основа якої – взаємодія живої і косної речовини. Він писав: «Живі організми є функцією біосфери і тісно матеріально і енергетично з нею пов’язані, є великою геологічною силою, її визначаючою. …Організми представляють живу речовину, тобто сукупність всіх живих організмів, у конкретний момент існуючих, чисельно виражених у елементарному хімічному складі, в вазі, в енергії. Вона пов’язана з навколишнім середовищем біогенним током атомів: своїм диханням, живленням і розмноженням». Таким чином, за В.І. Вернадським, сама суттєва особливість біосфери – це біогенна міграція атомів хімічних елементів, викликана променевою енергією Сонця і виявляється у процесі обміну речовин, рості і розмноженні організмів. Ця біогенна міграція атомів відчиняється двом біогеохімічним принципам:
1. Прагне до максимального проявлення: виникає «всюдність» життя.
2. Призводить до виживання організмів, збільшуючи біогенну міграцію атомів.
